從“腸道菌群-代謝物-免疫軸”探究1型糖尿病的發病機制與治療策略

鄧明群 肖新華

腸道菌群是寄生在人體腸道中微生物的總稱，被稱為人類的“第二個基因組”。近年來，越來越多的研究發現腸道菌群在人類健康中扮演重要角色。T1D是以胰島功能破壞為特征的多種因素導致的自身免疫性疾病。除遺傳因素外，飲食、藥物、環境多種因素參與T1D的發病機制，而以上這些因素都和腸道菌群密切相關。近年來研究發現，腸道菌群可能在T1D的發病機制中具有重要作用，但具體機制不明。

一、腸道菌群的結構和功能

腸道菌群是寄生在人體腸道中微生物的總稱，由超過 3500 種細菌組成， 其中95%以上可歸為3個菌門: 厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門。人類腸道菌群中以厚壁菌門和擬桿菌門占絕對優勢，其中厚壁菌門細菌數量最多，包括乳桿菌屬、支原體、芽孢桿菌屬、梭菌屬等200多種菌屬。成人腸道定植的細菌數量多達1014，重約1～2kg, 編碼基因總量是人類編碼基因數量的大約100 倍，被統稱為宏基因組(metagenome)，也被稱為人類的“第二個基因組”[1]。腸道菌群在人類健康中扮演重要角色，參與多種重要的生理功能，包括：參與食物的消化吸收，如纖維素的消化、膳食脂肪及脂溶性維生素的吸收等；通過發酵食物產生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)，如乙酸、丙酸、丁酸等；參與合成宿主所需的氨基酸；調節膽汁酸相關的代謝等[2, 3]。此外，腸道微生物還可以改變腸道的滲透性，影響腸上皮細胞間的緊密連接，維持腸上皮細胞的完整性，進而影響腸道免疫功能。

二、腸道菌群紊亂與糖代謝異常密切相關

近年來研究發現，腸道菌群與糖尿病、肥胖等多種代謝相關疾病密切相關。腸道菌群在糖尿病方面的研究最早來自中國，這一里程碑式的研究發現，2型糖尿病(type 2 diabetes, T2D)患者出現以Roseburiaintestinals和Faecalibacteriumprausnitzii等產丁酸鹽細菌減少為特點的腸道菌群紊亂，而機會性致病菌(Bacteroidescaccae)、大腸桿菌(Escherichiacoli)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)以及多種梭菌目增加[4]。來自歐洲的研究發現了類似結果，提示T2D患者可能存在其特有的腸道菌群特征，T2D的發生、發展可能與腸道菌群的改變有關[5]。進一步研究顯示，腸道菌群通過直接或間接參與炎性反應、產生短鏈脂肪酸等代謝產物影響能量代謝、調控膽汁酸合成從而影響膽汁酸與法尼酯X受體(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶聯膽汁酸受體(gprotein-coupled bile acid receptor, TGR5)結合等多種途徑調節糖代謝。此外，近年來研究發現，外科減重手術、二甲雙胍、拜糖平、利拉魯肽等多種T2D治療手段可能是通過改變腸道菌群而改善糖代謝[6～8]。

越來越多的研究發現，腸道菌群與T1D也存在密切關系。BBDP大鼠(biobreeding diabetes- prone rat)是研究T1D的一種重要的自發性疾病動物模型。BBDP大鼠與人類1型糖尿病存在很多相似之處，包括基因易感性、以及環境因素對疾病的影響等。與BBDR大鼠(biobreeding diabetes-resistant rat)比較，BBDP大鼠中乳桿菌屬(Lactobacillus)、Bryantella、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和Turicibacter下降，而擬桿菌屬(Bacteroides)、真桿菌(Eubacterium)和瘤胃球菌屬 (Ruminococcus)增加。與動物實驗結果相一致，T1D患者腸道菌群與健康對照也存在差異， 表現為厚壁菌門(Firmicutes)/擬桿菌門(Bacteroidetes)比例下降，梭狀芽胞桿菌(Clostridium)、擬桿菌屬(Bacteroides)和韋榮球菌屬(Veillonella)增加[9]。并且，T1D患者腸道菌群的多樣性和穩定性也下降。

三、腸道菌群紊亂參與自身免疫性疾病

腸道是人體內最大的免疫器官，存在著大量與宿主共生的微生物，免疫系統和腸道微生物之間相互作用、共同進化，維持機體的免疫穩態。免疫系統對腸道菌群的形成和重塑有著重要作用[10]。反之，腸道菌群對天然免疫和適應性免疫均有重要的影響[11]。當微生物和免疫系統之間的穩態遭到破壞時，自身免疫性疾病即可能發生。越來越多的研究發現，腸道菌群紊亂與多種自身免疫性疾病有關，包括炎性腸病、類風濕性關節炎、系統性紅斑狼瘡、過敏性哮喘、T1D等[12,13]。

腸道菌群結構變化以及某些特定菌屬與T1D自身抗體的出現具有相關性，提示腸道菌群可能通過影響自身免疫參與T1D的發生、發展[14,15]。研究發現，腸道菌群參與調節天然免疫穩態[16,17]。腸道菌群紊亂可以破壞腸黏膜屏障，導致脂多糖(LPS)和脂肪酸泄漏，進而激活Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)并導致代謝相關炎癥[18]。MyD88是識別微生物刺激的天然免疫受體的調節因子。研究發現，缺乏MyD88的T1D模型鼠NOD小鼠(non-obesity diabetes mouse)的腸道菌群會發生改變，并可免于發生糖尿病。并且，將這種腸道菌群移植給野生型NOD鼠可以減輕胰島炎并延緩自身免疫性糖尿病的發生[19]。除天然免疫的參與外，在適應性免疫方面，調節性與致病性免疫之間的失衡是T1D發生的關鍵免疫機制[20]。一方面，研究發現，外周血Th細胞的分化受到微生物的調節，節絲狀菌可以促進Th17細胞的生成和成熟，某些梭菌屬促進小鼠結腸中調節性T細胞(tregulatory cells, Tregs)的生成[21,22]。另一方面，新近研究表明，腸道菌群的組成與結構是胰島素反應性CD8+T細胞擴增和活化的重要影響因素。

四、“腸道菌群-代謝物-免疫軸”在T1D發病機制中發揮重要作用

近年來，腸道菌群調節免疫的分子機制逐漸得到探究。研究發現，許多共生菌的代謝物可以直接作用于免疫系統，短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)為腸道共生菌作用于未消化的碳水化合物所產生的最重要的代謝產物，對宿主免疫系統具有廣泛的作用[23]。早在2003年，研究發現SCFAs可作為配體與G蛋白偶聯受體 (G protein-coupled receptors, GPCRs), 游離脂肪酸受體2 (Free fatty acid 2, FFA2)和3 (FFA3)等受體結合，從細胞層面發揮生物學功能[24]。Sun等[25]發現，與健康對照比較，NOD鼠SCFAs降低，尤其是丁酸。而在T1D患者中，產丁酸鹽細菌較健康人減少。因此，產丁酸菌在T1D中發揮重要作用。一方面，丁酸通過誘導黏蛋白合成在維持腸上皮細胞間的緊密連接中發揮重要作用，如腸上皮的完整性遭到破壞，可導致“腸道泄露(gut leaky)”，從而激活TLR4，參與T1D的發生、發展。另一方面，研究發現，共生菌產生的丁酸鹽通過抑制組蛋白去乙酰酶(histone deacetylase, HDAC)活性，減少樹突細胞前炎性因子表達，促進胸腺外Tregs細胞誘導分化。因此，產丁酸鹽菌可能通過影響Tregs細胞數量和功能參與T1D的發生、發展。丙酸鹽同樣可以抑制HDAC，因此也可以促進Tregs的生成。除丁酸鹽和丙酸鹽，研究發現乙酸鹽可能通過直接或間接作用促進T細胞凋亡，在減少免疫反應性T細胞中發揮著獨特作用[21]。此外，研究發現，腸道菌群產生的SCFAs可以調控β細胞產生導管素相關的抗菌肽(cathelicidin related antimicrobial peptide, CRAMP)。CRAPM在T1D的發生中發揮重要作用，NOD鼠中CRAMP存在缺陷，而給予糖尿病前期小鼠CRAMP則可以促進胰島上Tregs細胞產生而減少T1D的發生[25]。綜上所述，腸道菌群通過其代謝物與免疫系統相互作用影響T1D的發生、發展，即“腸道菌群-代謝物-免疫軸”參與T1D的發病機制。

五、“腸道菌群-代謝物-免疫軸”對T1D防治策略的啟示

從“腸道菌群-代謝物-免疫軸”探究T1D發病機制，將對T1D的防治提供新的思路。目前尚有正在進行的探究LactobacillusrhamnosusGG和BifidobacteriumlactisBb12對新診斷T1D兒童胰島功能保護作用的臨床試驗(NCT03032354)，結果尚待公布。腸道菌群受飲食影響明顯，研究發現，給予產乙酸和丁酸菌群的飲食可以保護NOD鼠免于發生T1D。二甲雙胍是最普通的治療糖尿病的一線藥物，但其降糖機制至今尚未完全闡明。近年來研究發現，二甲雙胍改變T2D患者腸道菌群結構可能是其發揮降糖作用的重要機制。Forslund等[26]研究發現，T2D患者二甲雙胍治療后的腸道菌群發生變化，表現為產乳酸菌群的活躍現象消失，而產丁酸和丙酸鹽菌群的豐度提高。如前述，產丁酸菌減少也是T1D患者腸道菌群的重要特征，二甲雙胍在T1D患者中使用將如何影響菌群，對病情進展及血糖控制有何作用將是未來值得研究的方向。

六、展 望

腸道菌群是人體最重要的免疫器官，是人類“第二個基因組”。近年來腸道菌群受到科學界的廣泛關注，越來越多的研究發現腸道菌群參與多種疾病的發生。目前研究表明T1D患者存在腸道菌群紊亂，并且腸道菌群失調通過調節免疫系統參與T1D的發病過程。其中，代謝物作為重要媒介參與腸道菌群調節免疫的分子機制，即“腸道菌群-代謝物-免疫軸”在T1D發病機制中發揮重要作用。長期以來，胰島素都是大多數T1D患者治療的唯一選擇，但從“腸道菌群-代謝物-免疫軸”角度，筆者獲得了對T1D防治策略的重要啟示，益生菌、口服降糖藥均可能通過“腸道菌群-代謝物-免疫軸”影響T1D的發生、發展，從而發揮控制血糖并減少并發癥的作用，因此，從菌群代謝物角度探究T1D的新型防治策略是未來的重要議題。